科学家们开发了稳定碱性水氧化催化剂的高性能

中国科学院上海硅酸盐研究所研究员严雅团队与华中科技大学、上海交通大学、新西兰奥克兰大学等科研人员合作，首次制备了高效多酸分枝的单层钴铁氢氧化物超结构水氧化催化剂，为高活性稳定电催化剂的设计和研究提供了新的范式，促进了碱性电解水技术向高电流、节能方面的发展。4月25日，相关研究在科学上发表。

可再生资源驱动的电解水反应器是实现绿色能源高效利用的有效途径。目前，虽然报告的过渡元素碱性水氧化催化剂具有良好的活性，但在强氧化和大电流水氧化催化过程中，由于过度氧化，金属活性点会发生结构畸变，进而导致活性相溶解和脱落。碱性水氧化催化剂的设计和开发既具有高活性又具有稳定性，具有重要意义，但仍面临巨大挑战。

通过定向接枝的方法，研究小组将二维钴铁金属有机框架(CoFe-MOF)和多金属氧酸盐(Ni-POM)组装，获得多酸接枝金属有机框架(MOF@POM)超级结构。Cofe-MOF原点在电催化水氧化过程中转换为单层钴铁氢氧化物(CoFe-LDH)，并以共价键通过Ni-O桥与POM连接。

进一步研究发现，该结构中的活性中心钴(Co)和铁(Fe)在反应过程中，位置点的价格不断上升，而配位调整基元镍氧(Ni-O)桥和钨氧(W-O)骨架的价格规律波动。具体来说，Ni-O桥通过晶格应变释放稳定的Co/Fe催化活性位点，动态调节电子密度，动态调节多酸中金属W的价态震荡;同时，多酸基元协同降低氧活化能基，形成应力电子两个层次的稳定机制，突破了传统催化剂的性能瓶颈。

这种催化剂在碱性电解液中具有优异的催化活性，10 mA/cm2电流强度下的过电位为178 mV，显著优于各种过渡元素基催化剂。阴离子交换膜电解槽进一步集成催化剂，检测数据显示：80℃、3 A在cm2环境下，槽压仅为1.78 V，低于美国能源局设定的2025年工业化标准;在室温环境下，2 A在高电流强度下/cm2连续运行5140小时，电解槽的衰减速度仅为0.02 mV/h，60 °C在高温下也能稳定运行2000多小时，整体性能远远超过目前报告的过渡元素基催化材料。